內容（róng）導讀
高溫鈦（tài）合金製（zhì）造技術已成為******航空發動機技術的（de）核心與關鍵，近年來受到高度重視。在簡要回顧新型高溫鈦合金、阻燃鈦合（hé）金和Ti-Al係（xì）金屬（shǔ）間（jiān）化合物合金發展的基礎（chǔ）上，從大規格鑄錠熔（róng）煉、擠壓開坯、整體葉盤模鍛、環件軋製及零件機加工等方麵介紹（shào）這（zhè）些高（gāo）溫鈦合金製（zhì）造技術研究所取得的重要進展（zhǎn）。***後，提出我國高溫鈦合金應用研究中需要重點關注的問題以及進一步發（fā）展的建議。
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作者/單位
作者：曹京霞，弭光寶，蔡建明（míng），高帆，周毅（yì），黃旭，曹春曉
單位：中國航發北京航空材料研究院 ******鈦（tài）合金航空（kōng）科技重點實驗（yàn）室
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通信作者簡介
弭（mǐ）光（guāng）寶（bǎo）（1981—），男，高級工（gōng）程（chéng）師，中國航空發動機集團******鈦合金重點實驗室******中青年，主要從事航（háng）空發動機用高（gāo）溫鈦合金及其納米複合材料、阻燃性能試（shì）驗技（jì）術等方麵研究。2011年畢業於清華大學材料科學與工程專業獲得（dé）博士（shì）學位。負責和參與完成******973計劃課（kè）題、******自然基金和總裝瓶頸技術等項目10餘項。曾獲部級（jí）科技進步二等獎（jiǎng）、部級技術發明三等獎和中國有色金屬科技論文一等獎等學術獎勵。獲授權發明專利6項；發表學術論文40餘（yú）篇，其中SCI收錄23篇（piān）、入選中國精品科技期刊******學術論文1篇。
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基（jī）金項目
******自然科學基金項目（51471155）
預研基金項目
中國航發創新基（jī）金項目（mù）（2014E62149R）
******自然科學基金青年（nián）科學基金項目（51501155）
科技（jì）部國際合作項目（2014DFR50450）
在多年的打拚中不斷完善，不（bú）斷改進，不斷創新，在實踐中積累了豐富的經驗與掌握了特（tè）殊（shū）的加工工藝（yì），無論從高精密機械樣機加工，高精密零件加工，高精密模型樣機加工，北（běi）京cnc數控加工，北京夾具工裝加工（gōng） ，尺寸精度還是外觀品質都（dōu）令客戶拍手。所做產（chǎn）品受到諸（zhū）多國內外知名企業的好評，產品遠銷東南亞。
精要概覽
高溫鈦合金製造技術研究（jiū）
1.1新型高合金化合金鑄錠製備
真空自耗熔煉工藝（yì）是鈦合金鑄錠（dìng）製備普遍采用（yòng）的工藝，其主（zhǔ）要工序（xù）包括電（diàn）極塊製備、焊接和真（zhēn）空自耗2～4次熔煉。除了真空自耗電弧熔煉爐，******配套設備的應用在（zài）鈦合金優質鑄錠（dìng）製備中也起到了關鍵作用（yòng），如（rú）自（zì）動稱重和混布料係統、真空等離子（zǐ）焊箱等。新型600 ℃高溫（wēn）鈦合金、阻燃鈦合金和Ti-3Al合金都已實現3 t級工業鑄錠的製備（bèi），突破（pò）了高合金化鑄錠成分均勻性控製的關鍵技術。
高（gāo）合金化是新型（xíng）高溫鈦合金（jīn）和Ti-Al係金（jīn）屬（shǔ）間化合物合（hé）金的顯著特點，例如：TA29、TA33鈦（tài）合金的合金化元素總量分別接近17%和16%，TD3、Ti2AlNb合金的合金（jīn）化元素總量分別接近43%和（hé）54%，且合金化元素熔（róng）點（diǎn）、密（mì）度差異均較大，因此這些新材料鑄錠（dìng）製備難度顯著高於普通的TC4、TC11等鈦合金。高熔點元素（如Ta、Nb、Mo等）一般以Al-X、Ti-X或Al-X-Y三元中間合金的形式（shì）加入。對於高溫鈦合金（jīn），其原料中（zhōng）海綿鈦占比超過80%，海綿鈦能夠（gòu）很好地將中（zhōng）間合金粘結，電極塊強度基（jī）本有所保障。但對於Ti3Al合金，其原料中海綿鈦占比（bǐ）不到60%，Ti2AlNb合金原料中海綿鈦（tài）占比更低，電極塊強度控製（zhì）問題非常突出，工藝不恰當（dāng）就會造成電極（jí）塊開裂，或電極塊強度偏低，在搬運、焊接（jiē）和（hé）熔（róng）煉時發生掉（diào）塊，影（yǐng）響鑄錠成分控製。目前的解（jiě）決方法主要是優選中間合金和優化混布（bù）料工藝。
與高溫鈦合（hé）金不同，Ti-V-Cr係阻燃鈦（tài）合金不含Al元素，且合金元（yuán）素的（de）質量（liàng）分數超過40%，同樣存在原料中海綿鈦占比少的問題，V、Cr元（yuán）素的加入方式非常關鍵。在認識阻燃（rán）合金化原理的基礎上，通（tōng）過在合金元（yuán）素加入方式以及電極結構上的創新，實現了TB12和TF550鈦（tài）合（hé）金3 t級（jí）工業鑄錠（直徑620mm）的製備，從根本上解決了Ti-V-Cr係阻燃鈦合（hé）金工業鑄錠V、Cr元素偏析問題，對鍛（duàn）件質量提升起到了至關重要（yào）的作用。
1.2低工（gōng）藝塑性合金的擠壓開坯
擠壓變形是在三向壓應力作用下完（wán）成的，裂紋不易形成和擴展，非常適合低工（gōng）藝塑性合金（jīn）鑄錠的開坯和棒材（cái）製造（zào）。長期以（yǐ）來，我國鈦合金擠壓技術主要應用於（yú）管材和筒體（tǐ）結構件的製備，近些年也開展了鈦合金型材的擠壓製備，但擠壓技（jì）術沒有在鈦合金工業級鑄錠開坯中應用（yòng）。造（zào）成這種局（jú）麵（miàn）有2方麵的原因：一方麵，國內鈦合金（jīn）加工企業缺乏大型的（de）擠壓（yā）設備（bèi）；另一方麵，普通高溫鈦合金、高強鈦合金通過液壓機（jī）、快鍛（duàn）機（jī）進行鑄（zhù）錠開坯、棒材鍛造能夠滿足研製與（yǔ）批量生（shēng）產的需求。然而，新型高溫鈦合金及Ti-Al係金屬間化合物合金都一定程度上（shàng）存在鑄造組織狀態（tài）下（xià）工藝塑性低的問（wèn）題，其中，對擠壓開坯技術依賴性較強的2類材料分別是阻燃鈦合金和變形TiAl合金，而（ér）擠壓技（jì）術的應用則為這2類合金棒材的製備提供了一條重要的工藝途徑，尤其是大型擠壓設備的建造，可以（yǐ）解決阻（zǔ）燃鈦合金（jīn）工（gōng）業鑄（zhù）錠開坯（pī）的難題。
Ti-V-Cr係阻燃鈦合金的（de）顯著特點是鑄造組織狀態下工藝塑（sù）性非常低，基本不（bú）能實現無約束條件下自由鍛造（zào）。2009—2010年，北京航空（kōng）材料研究院與北方重工合作，在360MN擠壓機上實現了TB12和TF550鈦合金多（duō）個3 t級（jí）鑄錠（dìng）的包套擠壓開坯。擠（jǐ）壓開坯不僅解（jiě）決了阻燃鈦合金工業鑄錠拔長變形的（de）難題，同時也提高了阻燃（rán）鈦合金的工藝塑性。
1.3整（zhěng）體葉（yè）盤鍛件研（yán）製與組織性能（néng）控製
輕量化、整體化是（shì）航空發動機部件的（de）重要發展方向，******航空發動機轉動部件普遍采用了整體葉盤結構。TC4、TC17、Ti6242和600 ℃高溫鈦合金的整體葉盤研製與應用研究均取得了快速發展。高（gāo）溫鈦合（hé）金整體葉盤鍛件大多采用熱模鍛或（huò）者近等溫模鍛成形，由於鍛件的對稱性比較好，若單純從（cóng）鍛件成形角度考慮，完整充（chōng）型難度不大，但是考慮到整體（tǐ）葉盤服役（yì）條件下對不同部位溫度和載荷要求的差異（yì），對於均質整體葉盤，實現關鍵性能的合理匹配是***主要的技術難（nán）點，涉（shè）及到鍛件微觀組織類型選擇以及組織（zhī）參數控製。600 ℃高溫鈦合金作為一（yī）種近α型鈦合金，室溫拉伸塑（sù）性（xìng），特（tè）別是試（shì）樣熱暴露後的塑性（稱為熱穩定性）與高溫蠕變性能之間的矛盾一直是比較突出的問題，單體盤和葉片可以通過采（cǎi）用不同的組織類型分別控製（zhì），例如葉片采用雙態（tài）組織以獲得良好的熱穩定性能和高周（zhōu）疲勞性（xìng）能（néng）；盤采用β鍛的網籃組織以獲得高的蠕變性能和損傷容限性能。目前，600 ℃高溫鈦合金主要采用α+β兩相區近等（děng）溫模鍛（duàn）工藝製造整體葉盤鍛件（jiàn），通過固溶（róng）和時效處理控製等軸（zhóu）初生α相的體（tǐ）積分數在10%～30%之間，控製β轉變組織中次生α相的分布，以及（jí）更微觀尺度的（de）α2相（xiàng）、矽化物相的析出（chū）和分布，實現整體葉盤鍛件熱穩定性和蠕變性（xìng）能的良好匹配。
鈦合金盤和葉片一體（tǐ）化製造在組織（zhī）性能控製上（shàng）做（zuò）了一種工（gōng）藝上的妥協，為了能夠充（chōng）分發揮高溫鈦合金各（gè）種微觀組織形態或合金***優勢（shì）的性能，近些年嚐試開展了雙合金整體葉盤以及雙性（xìng）能整體葉盤的研製工作，主（zhǔ）要包括：①線（xiàn）性摩擦焊（hàn）工藝，理論上可以（yǐ）實現雙合金或是同一合金（jīn）雙組（zǔ）織整體葉盤的連接，國內外的研究工作主（zhǔ）要集中於線性摩擦焊（hàn）工藝和接頭組織性能的研究；②真空電（diàn）子束焊接+近等溫鍛造+熱處理強化界麵的複（fù）合工（gōng）藝；③分區控溫鍛造和分（fèn）區控溫熱處理工藝，理論上能夠將整體葉盤（pán）鍛件中葉片與盤體控製為不同的組織類型，以更好地滿足整體葉盤不同部位實際服（fú）役條（tiáo）件的要求。
1.4整環和半環鍛件研製
以機匣、內環、安裝邊等為代表的環形件結構也是航（háng）空（kōng）發動機中比較重要的結構形式，環鍛件通常采用軋（zhá）製工藝製造，主要工序為棒材坯料鐓粗、衝孔、擴孔和***終的軋製成形。通常，坯料衝孔後得到的環（huán）坯進一步擴（kuò）孔和（hé）***終的軋製成形都是在擴孔機上完成的。高溫鈦（tài）合金（jīn）以及Ti3Al、Ti2AlNb合金環（huán）鍛件製備都能夠采用這種工藝路線，在環鍛件製（zhì）備的4個工序過程中（zhōng），坯料（liào）的加熱溫度、擴孔和***終軋製成形的變形量控製決定了環鍛件的組（zǔ）織（zhī）類型，通過固溶、時效處理可以（yǐ）進一步（bù）調控環鍛件的微觀組織，獲得所需的力學性能。
1.5典型零件加工技術
由（yóu）於（yú）高溫鈦合金具有導熱差、硬度高、粘刀等特性，造成了這種材料車削、銑削和鑽削（xuē）加工的難度比鋼要大很（hěn）多，整體葉盤、機匣等零件的結構複雜性與材料特性的耦（ǒu）合結果更增加了零（líng）件加工的難度。通過技術攻關，在阻燃鈦合金機（jī）匣、600 ℃高溫鈦合（hé）金（jīn）整（zhěng）體葉盤、Ti3Al合金靜子內環及TiAl合金（jīn）葉片等零件的加工技術方麵取得了重要進展（zhǎn）。
未來（lái）需要重點關注的幾個問題
2.1含W元素的高溫（wēn）鈦合金鑄錠製備
從合金化的角度，應重視高熔點元素的加入方式和中間合金（jīn）的質（zhì）量。新型高溫鈦合金及Ti-Al係金屬間化合物合金的合金（jīn）化（huà）程度較高，且含有Nb、Ta、W等高（gāo）熔點元素，高熔點（diǎn）夾雜是（shì）需要嚴格控製的冶金缺（quē）陷，尤其對於熔點超過3 400 ℃的W元素，更應引起重視。目前國內針對航空發動（dòng）機長期使（shǐ）用正在開展研究的含W高溫鈦合金主要有TC25G和Ti65鈦合金，同時針對航天產品高溫短時應（yīng）用的含W鈦合（hé）金一些（xiē）專利中（zhōng）也有所報道，解決好（hǎo）W元素的添加問題，對（duì）於進一步提升高溫鈦合金的熱強性能，突破600 ℃熱障溫度具有重要意義。
2.2高溫鈦合金（jīn）鑄錠的純淨化製備
製備（bèi）高純（chún）淨鈦合金（jīn）鑄錠也是重要的發展方向。應重視高溫鈦合金中Fe、O等雜質元（yuán）素含量的控製問題，尤其（qí）針對整體葉盤、離心葉輪等轉動部件應用的高溫鈦合金材料應嚴格控製Fe元素含量。
2.3大規格棒材組織的精細化控製
新型高溫鈦（tài）合金典型件製備用棒材的技術要求（qiú）與鍛件的技術要求基本相（xiàng）當，以保證大規格棒材（cái）可以直接用於鍛件製坯，而不需要進一步改鍛。目前（qián）對鈦合金棒材的組織（zhī）控製主要是對組織類型提出要求，沒有細致到（dào）對宏觀和（hé）微觀織構的（de）控製，往往大規格棒材中α晶團的明顯取向會遺（yí）傳到鍛件中。近α型高溫鈦合金的保載疲勞敏感性（xìng）與微織構有較（jiào）強的關聯，因此（cǐ）對於整體葉盤鍛件用高溫鈦合金大規格棒材在製備工藝控製上應體現出對宏觀（guān）和微觀織構的控製措施。
2.4大規格棒材擠壓
隨著我國大型擠壓設備配套工裝的完善和應用技術（shù）的提升，阻燃鈦合金工業鑄錠包套擠（jǐ）壓開坯工（gōng）藝仍有優化的空間。前期研究工（gōng）作中（zhōng），為配合大規格擠壓筒所采用的厚壁包套結構可以（yǐ）優化成薄壁包套結構，也可嚐試無包套擠壓開坯技術，進一步提（tí）高擠壓開坯的工藝可控（kòng）性，提高（gāo）擠壓棒材質量（liàng）並（bìng）降低擠壓成本。
2.5低殘餘應（yīng）力的大型鍛件製備（bèi）技術
鍛件殘餘（yú）應力水平（píng）低，對保證大型複雜零件完整性加（jiā）工（gōng）和變形控製非常有意義，對轉動（dòng）件的長壽命服役也很關鍵（jiàn）。在高溫鈦（tài）合金及Ti-Al係金屬間化（huà）合物合金大（dà）型（xíng）鍛（duàn）件製備技術（shù）研究中，重點開（kāi）展了微觀組織與力學性能的關係以及（jí）工藝控製研究，而對鍛件的（de）低殘餘（yú）應力製坯和成（chéng）形技術也需要給予充分重視，逐（zhú）步（bù）建（jiàn）立和完善鍛件殘餘應力監控手段和技術。
2.6雙性能和雙（shuāng）合金整（zhěng）體葉盤的過渡區控製
采用分（fèn）區控溫熱處理或分區控溫鍛造製備（bèi）雙性能整（zhěng）體葉（yè）盤在（zài）工（gōng）藝上是能夠實現的，但具體到雙性能整體葉盤（pán）鍛（duàn）件綜合性能的控製還有很多（duō）細節需要關注（zhù），例如2種組（zǔ）織類型的選擇，過渡區設計在哪個部位，過（guò）渡區部位的******按需控製，過渡區組織對性能的影響等。雙合金整體葉盤製造過程同樣也麵臨上述（shù）問題。
2.7Ti-Al係金屬間化合物合金鍛件強韌（rèn）化
Ti-Al係金屬間化合物合金複（fù）雜（zá）的相變過程為鍛件組織性能調控提供了空（kōng）間，需加強Ti3Al、Ti2AlNb合金大型結構件（jiàn）強韌化熱機械處理技術研究（jiū）。
1/3
圖為北京航（háng）空材料研究院采用真空自耗熔煉工藝（yì）製備的TD3鈦合金3 t鑄錠（直徑600 mm）照片及鑄錠頭、中、尾外圓周取樣的成分分析結果，可見合金元素Al、Nb、Mo分布均比（bǐ）較均勻。
2/3
圖為TF550鈦合金鑄態和（hé）擠壓態（tài）2種初始組織狀態的（de）熱（rè）加工圖。從圖可以看出（chū），無論是鑄態組織（圖a）還（hái）是擠壓（yā）態（tài）組織(圖b），熱加工圖中（zhōng）呈現的失穩區域均分布（bù）於高應變速率區（qū）域（yù），並且明顯分為2個部分（fèn）。結合顯微組織和碳化物形態分析，可以（yǐ）判定1 050 ℃以（yǐ）上的變形失穩主要緣於碳化物溶解帶來的脆性，而1050 ℃以下的變形失穩（wěn）主要緣於局部塑性流動（dòng）引起的劇烈剪切變形所導致的開裂。與（yǔ）鑄態組織（zhī）相（xiàng）比，擠壓態組織的（de）局部塑性流動失穩區域明顯縮（suō）小，關鍵熱加工區域窗口擴大，有利於擠壓（yā）棒材的（de）進一步鍛造加（jiā）工。實際鍛（duàn）造中也發現經過擠壓開坯後，棒材的工藝塑性明顯改善，不用包套即可直接在快鍛（duàn）機（jī）上完成鐓粗和拔長變形。已去除表麵TiC層的鈦合金齒（chǐ）輪2個不同齒麵滲層硬度沿滲層深度的變化曲線。此時，鈦合金齒輪的齒麵硬度大體（tǐ）被控製在7~8 GPa範圍內。
3/3
TB12阻燃鈦合金機匣屬於薄壁類環形件，機匣外型麵（miàn）有帶孔的圓柱凸（tū）台，為異形結構，在粗車（chē）和粗銑時需要盡量多去餘量，提高加工效率（lǜ），同（tóng）時（shí）還必須保證零件足夠的剛性（xìng）；TB12鈦合金的機械（xiè）加工性能較差，切（qiē）削和銑削（xuē）加工表麵（miàn）硬化現象比較嚴（yán）重，需要大的切削加（jiā）工力（lì），大切削力（lì）加（jiā）工與剛性保證需求也是一對矛盾，在製定機匣零件加（jiā）工工藝時這些方麵都是重點考慮的。
引用本文
曹京霞，弭光寶，蔡建明，等.高溫鈦合（hé）金製造（zào）技術研究進展[J].2018,35（1）：1-8.
相關（guān）文獻
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